摘要：

本案例面向滑移转向车辆在山地、沙漠、雪地等复杂非结构地形下的适应性设计需求，创新构建了基于轮地相互作用机理的高保真多物理场耦合仿真模型，系统揭示了滑转、沉陷、轮刺效应等复杂轮地耦合特性对整车动态性能的影响，突破了传统模型对复杂地形适应能力不足的瓶颈。项目融合车辆动力学、轮胎理论、液压与电控系统多学科技术，完成对关键结构参数的敏感性仿真分析，实现了滑移转向车辆在复杂工况下负载响应与功率分布的预测评估。该成果已在多型车辆工程化验证中成功应用，显著提升了设计效率与作业可靠性，具备广泛推广价值与行业示范意义。

关键词：滑移转向车辆；多物理场耦合分析；负载响应

一、项目背景与需求分析

滑移转向越野工程车辆是一类依靠左右轮速差实现转向，具备原地转向能力的高机动性装备。其结构紧凑、控制简洁、响应快速、适应能力强，广泛应用于军事作战、农业生产、星球探测、野外科考等复杂环境任务中。轮式滑移转向车辆最早应用于月球车、侦察机器人与巡逻平台，因其具备良好的运动稳定性和高能源利用效率，逐步推广至全地形车和越野工程机械等多个高性能需求场景。

当前，滑移转向车辆在全球范围内应用日益广泛，然而核心产品长期被国外企业所垄断，如美国山猫、卡特彼勒、凯斯、JCB及约翰·迪尔等公司凭借优良的性能和成熟的服务体系，占据了国际市场主导地位。相比之下，国内相关产品起步较晚，关键技术积累相对薄弱，存在整车性能预测精度不足、研发周期较长、复杂工况适应性差等问题，严重制约了我国滑移转向工程车辆的自主创新与产业化发展。

为打破国外技术封锁、实现自主可控的高端产品突破，江苏柳工、常州柳工联合长春师范大学、吉林大学开展联合攻关，聚焦滑移转向车辆动力学行为建模、轮地作用机理揭示与仿真预测技术等关键瓶颈。任峰博士及其研究团队长期致力于该领域核心理论研究，提出了具有工程适用性的轮地接触特性分析模型与动态性能预测模型，并在柳工系列产品中得到实际应用，推动了相关车型的性能提升与工程落地。

本项目正是在工程机械行业加速国产化替代、提升核心竞争力的背景下提出，旨在突破滑移转向车辆在复杂工况下的多物理场建模与仿真分析技术难题，提升整车性能预测与设计优化能力，为推动我国自主品牌向高端装备迈进提供坚实支撑。

二、技术路线与关键方法

本项目围绕滑移转向越野工程车辆在复杂非结构地形下的动力学行为特征，构建了从轮地相互作用机理研究到多物理场耦合仿真建模，再到试验验证与模型校准的完整技术路线，形成“理论分析—仿真建模—试验验证—工程应用”的闭环研发体系。

（一）滑移转向车辆轮地相互作用机理研究

针对滑移转向越野车辆质量大、工况恶劣、地形复杂等特点，项目从轮地接触本质出发，深入研究轮胎滑转、沉陷、轮刺等非线性接触行为。区别于传统基于地面力学的简化模型，构建适用于滑移转向过程的复杂轮地相互作用机制，建立可反映不同工况下非结构地形接触特性的基础理论体系。

（二）滑移转向动力学理论模型构建

在轮地相互作用机制基础上，进一步建立滑移转向过程中的系统动力学模型。模型综合考虑车辆结构参数、轮胎动力响应及作业路径等因素，改进了以往借鉴履带车辆建模方式所带来的适应性不足问题。通过该模型可实现对车辆转向行为、负载响应等性能指标的定性与定量预测，形成面向轮式滑移转向车辆的性能分析理论框架。

（三）高保真多物理场联合仿真建模方法

传统仿真建模多简化地形形貌为理想平面，不能有效反映车辆在实际环境中的动态响应。项目创新性地引入汽车轮胎理论，构建融合动力学、电控、液压等子系统的多物理场联合仿真平台。在AMESim、Simulink等软件支撑下，开展车辆重心布置、轮距/轴距变化等结构参数的系统敏感性分析，绘制系统功率分布曲线，量化各子系统间能量传递路径及效率，显著提升了仿真预测的准确性和工程指导价值。

（四）真实工况下的试验验证与模型修正

试验是模型有效性的重要检验手段。项目同步开展实车测试任务，采集车辆在典型复杂地形中的动力响应、负载变化及系统协调行为数据。试验结果用于反向校准仿真模型，优化模型参数设置，提高多物理场耦合模型的可靠性与推广性。通过试验反馈实现建模—仿真—测试的闭环迭代，确保研究成果具备高可信度和强工程适用性。

通过以上技术路径，项目成功构建了滑移转向车辆在复杂工况下的高精度建模与分析技术体系，为相关产品的设计开发、性能评估及工程优化提供了系统支撑和可复制的仿真分析方法。

三、创新点与技术突破

本项目围绕滑移转向越野工程车辆在复杂工况下的动力学性能建模与仿真分析难题，系统开展轮地相互作用机理、多物理场仿真方法与整车控制适应性等关键技术攻关，取得了多项具有原创性、工程实用价值的核心技术突破，显著提升了我国在该领域的自主研发与工程应用能力。主要创新点与技术突破体现在以下几个方面：

（一）滑移转向车辆设计理论与评价方法的系统创新

针对大吨位滑移转向车辆在山地、沙漠、雪地、林地等非结构复杂地形中使用场景，项目首次提出适用于复杂工况下的轮地相互作用力学建模框架。突破传统基于地面力学简化修正的局限，深入揭示轮胎滑转、沉陷、轮刺等非线性行为对车辆动态性能的影响，填补了我国在该类型车辆设计理论研究方面的空白，提升了滑移转向车辆整机性能分析的理论基础与评估精度。

（二）构建高保真多物理场耦合仿真模型

项目创新性地将汽车轮胎理论引入滑移转向车辆仿真体系，构建融合整车动力学、轮胎地面接触、液压系统、电控系统的多物理场联合仿真平台。模型具备高逼真度与参数可调节性，支持对车辆结构参数（如轮距、轴距、重心位置）变动下的动力学、负载与功率响应特性开展系统分析，并通过功率分布曲线量化各子系统的能量占比，实现整车性能预测、优化设计与控制系统校准的一体化支持。

（三）构建动力学性能预测与控制匹配评估体系

本项目建立了适用于轮式滑移转向越野工程车辆的动力学建模体系，系统分析车辆在滑移转向过程中各部件的受力与力矩响应关系，提出了整车关键结构与运动系统的匹配策略，解决了传统设计中参数失配导致性能冗余或不足的问题，为结构轻量化与性能提升提供支撑。

（四）实现动力总成功率分配优化与负载特性建模

针对目前滑移转向车辆在联合工况下发动机功率分配机制不合理、作业系统与行走系统协调不足等实际问题，项目研究了车辆真实工况下的动态负载分布特性，构建了基于功率流控制的分配机制。该机制依据负载需求实现功率自适应匹配，有效提升了发动机—液压系统—传动系统间的能量利用效率，增强了系统稳定性和任务适应性。

（五）建立虚拟样机平台，支撑整车控制系统设计

通过构建高保真仿真平台与虚拟样机模型，项目可为滑移转向车辆控制系统的设计与校准提供基础支撑。仿真平台可准确再现车辆实际作业状态，使控制系统在设计阶段即具备对真实工况的预判与修正能力，从而实现控制策略优化与执行精度提升。

总体而言，本项目在滑移转向车辆核心动力学建模、多物理场仿真融合、整车控制策略协同与功率匹配优化等关键环节取得了系统性技术突破，显著提升了滑移转向越野工程车辆的设计科学性与工程应用价值，为我国高端装备自主可控发展奠定了坚实基础。

四、应用成效

（一）经济效益

随着本项目的成功应用，取得了80973万元人民币，8638万美元的产值，实现利润10585万元，上缴利税8241.8万元。

（二）社会效益

柳工作为中国小型工程车辆的龙头企业，在小型工程机械的研发方面一直处在国内领先地位，凭借多年稳健的经营业绩、业内良好的品牌形象和巨大的发展潜力，备受国内外同行瞩目。目前该滑移转向车辆产品远销美国、欧盟、俄罗斯、巴西等四十多个国家和地区。

通过本项目的开展，项目组申请专利20件，其中欧盟专利3件，软件著作权2项，其中国内专利15件。授权国内发明专利8件，欧盟发明专利3件，实用新型专利3件，软件著作权2项。发表论文18篇，其中SCI收录6篇，EI收录9篇，部分成果见表1。相关项目11项，其中国家自然基金项目1项，国家重点研发计划项目3项，省级项目3项，企业横向课题3项，部分成果见表2。

表1 部分授权专利和发表论文情况表

表2 开展相关课题情况

表2 开展相关课题情况